(57)【要約】【課題】  窒素の供給量を変動させることなく、酸素供給量の増減に対して効率良く対応することを可能ならしめる空気液化分離装置を提供する。【解決手段】  不純物除去後の一定量の空気のうちの一部を、低温の原料空気として下部塔１１ｃに導入し、残りの原料空気を液体空気貯槽４ｆに貯液しながら、液体空気貯槽４ｆから下部塔１１ｃに液体空気量制御手段４ｇで流量制御して一定量ずつ導入し、上部塔１１ａから液体酸素量制御手段６ａで流量制御して一定量ずつの液体酸素を液体酸素貯槽６ｂに導出すると共に、液体酸素貯槽６ｂから酸素需要先に酸素を供給するに際して、酸素ガスの需要増大時には、液体酸素貯槽６ｂから不足分を供給すると共に、その蒸発により余分に生成された液体空気を液体空気貯槽４ｆに貯液する一方、酸素ガスの需要減少時には、余剰の液体酸素を液体酸素貯槽６ｂに貯液する構成とする。【選択図】        図１
2005265392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を圧縮する原料空気圧縮機を備え、この原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気中の不純物を除去する不純物除去器を備え、不純物除去後の圧縮空気を冷却する主熱交換器を備えると共に、上部塔と下部塔とからなり、前記主熱交換器で冷却されて導入された空気を酸素と窒素とに分離する複式精留塔を有する空気分離部を備えてなる空気液化分離装置において、前記主熱交換器を経て下部塔に連通し、不純物除去器を経た原料空気の一部を下部塔に導入する第１ラインと、残りの原料空気を圧縮する昇圧空気圧縮機、主熱交換器を経て下部塔に連通し、主熱交換器から下部塔側に向かって順に、膨張弁、液体空気を貯液する液体空気貯槽、この液体空気貯槽から下部塔に導入する液体空気量を制御する液体空気量制御手段が介装されてなる第２ラインと、この第２ラインから分岐して第１ラインの主熱交換器と下部塔との間に連通し、主熱交換器の下流側に膨張タービンが介装されてなる第３ラインと、上部塔から主熱交換器を介して製品酸素を需要先に供給し、上部塔から主熱交換器側に向かって順に、液体酸素量を制御する液体酸素量制御手段、液体酸素を貯液する液体酸素貯槽が介装されてなる製品酸素供給ラインを備えたことを特徴とする空気液化分離装置。
【請求項２】
前記製品酸素供給ラインの液体酸素貯槽と主熱交換器との間に、液体酸素を昇圧する液体酸素ポンプを介装したことを特徴とする請求項１に記載の空気液化分離装置。
【請求項３】
前記第２ラインの昇圧空気圧縮機と主熱交換器との間に、昇圧空気圧縮機で圧縮された昇圧空気を圧縮する第２昇圧空気圧縮機を介装したことを特徴とする請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載の空気液化分離装置。
【請求項４】
原料空気を圧縮する原料空気圧縮機を備え、この原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気中の不純物を除去する不純物除去器を備え、不純物除去後の圧縮空気を冷却する主熱交換器を備えると共に、上部塔と下部塔とからなり、前記主熱交換器で冷却されて導入された空気を酸素と窒素とに分離する複式精留塔を有する空気分離部を備えてなる空気液化分離装置において、前記主熱交換器を経て下部塔に連通し、不純物除去器を経た原料空気の一部を下部塔に導入する第１ラインと、残りの原料空気を圧縮する昇圧空気圧縮機、酸素熱交換器を経て下部塔に連通し、酸素熱交換器から下部塔側に向かって順に、膨張弁、液体空気を貯液する液体空気貯槽、この液体空気貯槽から下部塔に導入する液体空気量を制御する液体空気量制御手段が介装されてなる第２ラインと、この第２ラインから分岐して第１ラインの主熱交換器と下部塔との間に連通し、主熱交換器の下流側に膨張タービンが介装されてなる第３ラインと、上部塔から酸素熱交換器を介して製品酸素を需要先に供給し、上部塔から酸素熱交換器側に向かって順に、液体酸素量を制御する液体酸素量制御手段、液体酸素を貯液する液体酸素貯槽が介装されてなる製品酸素供給ラインを備えたことを特徴とする空気液化分離装置。
【請求項５】
前記製品酸素供給ラインの液体酸素貯槽と酸素熱交換器との間に、液体酸素を昇圧する液体酸素ポンプを介装したことを特徴とする請求項４に記載の空気液化分離装置。
【請求項６】
前記第２ラインの昇圧空気圧縮機と酸素熱交換器との間に、第２昇圧空気圧縮機を介装したことを特徴とする請求項４または５のうちの何れか一つの項に記載の空気液化分離装置。
【請求項７】
原料空気を圧縮する原料空気圧縮機を備え、この原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気中の不純物を除去する不純物除去器を備え、不純物除去後の圧縮空気を冷却する主熱交換器を備えると共に、上部塔と下部塔とからなり、前記主熱交換器で冷却されて導入された空気を酸素と窒素とに分離する複式精留塔を有する空気分離部を備えてなる空気液化分離装置の運転方法において、不純物除去後の一定量の圧縮空気のうちの一部を低温の原料空気として複式精留塔の下部塔に導入し、残りの原料空気を液化させ、液化させた液体空気を液体空気貯槽に貯液しながら、液体空気貯槽から下部塔に液体空気を液体空気量制御手段で流量制御して一定量ずつ導入し、複式精留塔の上部塔から液体酸素量制御手段で流量制御して一定量ずつの液体酸素を液体酸素貯槽に導出すると共に液体酸素貯槽から供給先に酸素ガスを供給するに際して、酸素ガスの需要増大時には、液体酸素貯槽から不足分を供給すると共に、液体酸素の蒸発によって余分に生成された液体空気を液体空気貯槽に貯液する一方、酸素ガスの需要減少時には、余剰の液体酸素を液体酸素貯槽に貯液することを特徴とする空気液化分離装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気液化分離装置およびその運転方法に係り、より詳しくは、窒素の供給量を変動させることなく、酸素供給量の増減に対して効率良く対応することを可能ならしめるようにした空気液化分離装置およびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼業等の工業分野において、ガス酸素（製品酸素）はユーティリティあるいは原材料として使用されており、その供給源として空気液化分離装置が使用されている。このような空気液化分離装置は、その特殊性により酸素の需要が一定していることが望ましいが、一般に酸素の需要変動は避けられない。そのため、下記のような手段によって、酸素の需要変動に対処していた。
(１)  平均需要量で装置を計画し、ガスホルダーによって調整する。
(２)  最大需要量を発生する装置を計画し、需要が少ないときには余剰分を液体製品等にして他の販売に向ける。
(３)  需要量の少ないときの発生量で装置を計画し、需要が多いときには予め貯蔵しておいた液体製品を気化させて使用する。
しかしながら、(１)の手段では、非常に高価で多大な設置スペースを要するガスホルダーを必要とするため装置が過大となる。また、(２)の手段では、液体製品製造のための高圧装置が必要である。さらに、(３)の手段では製品ガスよりも製造コストの高い液体製品を使用しなければならない。つまり、上記のような手段の何れを採用したとしても、コスト増を招くという経済上の欠点があった。
【０００３】
ところで、上記のような問題を解決することを可能ならしめるようにした空気液化分離装置が提案されている。以下、この従来例に係る空気液化分離装置の概要を、その要部を示す系統図の図６を参照しながら、例えば、酸素の需要変動が最大量１５０００Ｎｍ3／ｈ，最小量５０００Ｎｍ3／ｈ，平均需要量１００００Ｎｍ3／ｈの場合で、かつ複式精留塔５４の定格が１００００Ｎｍ3／ｈの酸素を生産する能力を備えているとして、酸素需要の増減を説明する。
【０００４】
この従来例に係る空気液化分離装置は、液体酸素貯槽と液体窒素貯槽を設け、酸素需要が増大した場合には液体酸素貯槽内の液体酸素を蒸発させ、酸素需要が減少した場合には発生酸素ガスを液化して液体酸素貯槽内に貯液して酸素需要の変動に対応するようにしたものである。より詳しくは、酸素増量運転の場合には、製品酸素と同品質の液体酸素を需要変動に対応して運転するのに必要な量が貯蔵されている液体酸素貯槽７０の液体酸素を液体酸素蒸発器７２に導入される加圧窒素ガスにより加温して蒸発させ、加圧窒素ガスは液化して配管８２、弁８３を経て液体窒素貯槽７１に貯液される。蒸発した酸素ガスは配管７７、配管５９を経て酸素出口配管５６に合流する。この場合、液体酸素貯槽７０で酸素を５０００Ｎｍ3／ｈ蒸発させて対応する。つまり、酸素生産量が定格より５０００Ｎｍ3／ｈ多く生産されるので、酸素出口配管５６の通る熱交換部門の低温ガス量が５０００Ｎｍ3／ｈ増加して熱交換部門の温度バランスが崩れることになるが、温度バランスを一定に保つために、窒素出口配管５５に流れる窒素ガスを約５０００Ｎｍ3／ｈ抜出して、配管５７および配管６４から附属寒冷部門５８に導入する。
【０００５】
附属寒冷部門５８に導入された窒素ガスは、配管６５を経て熱交換器６２を通り窒素圧縮機６１に吸入され、液体酸素貯槽７０の液体酸素を蒸発させ得る中圧に加圧され、配管６７を経て熱交換器６２にて前記配管６５により導入される窒素ガスと熱交換して冷却され、一部は熱交換器６２の途中で配管６７から分岐する配管６８により抜出されて膨張タービン６３で断熱膨張され、この空気液化分離装置に必要な寒冷を発生して配管６９を経て配管６５に合流して循環され、残りの窒素ガスはさらに冷却されて一部は液化して気液分離器６６に導入され、液体窒素は配管７８、弁７９を経て液体窒素貯槽７１に貯液され、液化されない加圧窒素ガスは配管８１を経て前記液体酸素蒸発器７２を通り、液体酸素を蒸発させると共に、液化して液体窒素貯槽７１に貯液される。
【０００６】
液体窒素貯槽７１に送り得ない余剰の加圧窒素ガスがある場合には配管８１と配管６５との間に設けた配管８７、弁８８を通って配管６５に循環使用される。この液体窒素貯槽７１に送られる加圧窒素ガスは、酸素増量時には増量酸素に相当する量が使用されるので、このとき膨張タービン６３に送られる窒素ガスは絞られることになり、循環窒素量が不足すると配管６４より窒素ガスが補給される。下部塔５１と、凝縮器５２と、上部塔５３を有する複式精留塔５４が熱バランス上安定運転を行うための寒冷としては、液体窒素貯槽７１より配管８４、ポンプ８５、弁８６を経て必要寒冷に相当する液体窒素が複式精留塔５４に注入される。これにより、複式精留塔５４の精留条件、熱交換部門の熱バランス、附属寒冷部門５８の物質バランスを一定にしている。
【０００７】
次に、酸素量を減量する減量運転の場合には、複式精留塔５４の上部塔５３から定格として発生する酸素１００００Ｎｍ3／ｈを、酸素出口配管５６から５０００Ｎｍ3／ｈ抜出して対応する。即ち、抜出された酸素ガスは、配管５９、配管８４を経て液体窒素蒸発器７３で液体窒素貯槽７１の液体窒素を蒸発させると共に液化して配管７５、弁７６を通って液体酸素貯槽７０に貯液される。蒸発した窒素ガスは配管８０、配管５７を経て窒素出口配管５５に合流する。従って、窒素出口配管５５の通る熱交換部門では、酸素ガスの減量分だけ窒素ガスが増量されるので、複式精留塔５４の精留条件も熱交換部門の熱バランスも不変であり、また附属寒冷部門５８の物質収支も不変である（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開昭６１−２３１３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来例に係る空気液化分離装置の場合には、酸素需要の変動量が比較的小さく、変動速度が緩やかな場合には、容易に追従することができる。しかしながら、酸素需要の変動速度が速い場合には、複式精留塔の精留条件が変動するという不具合が生じることがあり、精留効率が低下することがあった。特に、アルゴン採取を並行して行う場合には、この精留条件の変動がアルゴン原料（粗アルゴン）の組成に影響してアルゴン精留運転が変動し、アルゴンの採取率が低下するという欠点がある。また、膨張タービンや主熱交換器におけるガス流量や製品窒素流量が変動したりするという不具合があり、酸素需要の変動速度が大きい場合に追従が困難であるという欠点もある。さらに、酸素需要の変動時に窒素の供給量も同時に変動させなければならないという欠点もある。
【０００９】
従って、本発明の目的は、窒素の供給量を変動させることなく、酸素供給量の増減に対して効率良く対応することを可能ならしめるようにした空気液化分離装置およびその運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、従って本発明の請求項１に係る空気液化分離装置が採用した手段は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機を備え、この原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気中の不純物を除去する不純物除去器を備え、不純物除去後の圧縮空気を冷却する主熱交換器を備えると共に、上部塔と下部塔とからなり、前記主熱交換器で冷却されて導入された空気を酸素と窒素とに分離する複式精留塔を有する空気分離部を備えてなる空気液化分離装置において、前記主熱交換器を経て下部塔に連通し、不純物除去器を経た原料空気の一部を下部塔に導入する第１ラインと、残りの原料空気を圧縮する昇圧空気圧縮機、主熱交換器を経て下部塔に連通し、主熱交換器から下部塔側に向かって順に、膨張弁、液体空気を貯液する液体空気貯槽、この液体空気貯槽から下部塔に導入する液体空気量を制御する液体空気量制御手段が介装されてなる第２ラインと、この第２ラインから分岐して第１ラインの主熱交換器と下部塔との間に連通し、主熱交換器の下流側に膨張タービンが介装されてなる第３ラインと、上部塔から主熱交換器を介して製品酸素を需要先に供給し、上部塔から主熱交換器側に向かって順に、液体酸素量を制御する液体酸素量制御手段、液体酸素を貯液する液体酸素貯槽が介装されてなる製品酸素供給ラインを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の請求項２に係る空気液化分離装置が採用した手段は、請求項１に記載の空気液化分離装置において、前記製品酸素供給ラインの液体酸素貯槽と主熱交換器との間に、液体酸素を昇圧する液体酸素ポンプを介装したことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の請求項３に係る空気液化分離装置が採用した手段は、請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載の空気液化分離装置において、前記第２ラインの昇圧空気圧縮機と主熱交換器との間に、昇圧空気圧縮機で圧縮された昇圧空気を圧縮する第２昇圧空気圧縮機を介装したことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の請求項４に係る空気液化分離装置が採用した手段は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機を備え、この原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気中の不純物を除去する不純物除去器を備え、不純物除去後の圧縮空気を冷却する主熱交換器を備えると共に、上部塔と下部塔とからなり、前記主熱交換器で冷却されて導入された空気を酸素と窒素とに分離する複式精留塔を有する空気分離部を備えてなる空気液化分離装置において、前記主熱交換器を経て下部塔に連通し、不純物除去器を経た原料空気の一部を下部塔に導入する第１ラインと、残りの原料空気を圧縮する昇圧空気圧縮機、酸素熱交換器を経て下部塔に連通し、酸素熱交換器から下部塔側に向かって順に、膨張弁、液体空気を貯液する液体空気貯槽、この液体空気貯槽から下部塔に導入する液体空気量を制御する液体空気量制御手段が介装されてなる第２ラインと、この第２ラインから分岐して第１ラインの主熱交換器と下部塔との間に連通し、主熱交換器の下流側に膨張タービンが介装されてなる第３ラインと、上部塔から酸素熱交換器を介して製品酸素を需要先に供給し、上部塔から酸素熱交換器側に向かって順に、液体酸素量を制御する液体酸素量制御手段、液体酸素を貯液する液体酸素貯槽が介装されてなる製品酸素供給ラインを備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の請求項５に係る空気液化分離装置が採用した手段は、請求項４に記載の空気液化分離装置において、前記製品酸素供給ラインの液体酸素貯槽と酸素熱交換器との間に、液体酸素を昇圧する液体酸素ポンプを介装したことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の請求項６に係る空気液化分離装置が採用した手段は、請求項４または５のうちの何れか一つの項に記載の空気液化分離装置において、前記第２ラインの昇圧空気圧縮機と酸素熱交換器との間に、第２昇圧空気圧縮機を介装したことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の請求項７に係る空気液化分離装置の運転方法が採用した手段は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機を備え、この原料空気圧縮機で圧縮された圧縮空気中の不純物を除去する不純物除去器を備え、不純物除去後の圧縮空気を冷却する主熱交換器を備えると共に、上部塔と下部塔とからなり、前記主熱交換器で冷却されて導入された空気を酸素と窒素とに分離する複式精留塔を有する空気分離部を備えてなる空気液化分離装置の運転方法において、不純物除去後の一定量の圧縮空気のうちの一部を低温の原料空気として複式精留塔の下部塔に導入し、残りの原料空気を液化させ、液化させた液体空気を液体空気貯槽に貯液しながら、液体空気貯槽から下部塔に液体空気を液体空気量制御手段で流量制御して一定量ずつ導入し、複式精留塔の上部塔から液体酸素量制御手段で流量制御して一定量ずつの液体酸素を液体酸素貯槽に導出すると共に液体酸素貯槽から供給先に酸素ガスを供給するに際して、酸素ガスの需要増大時には、液体酸素貯槽から不足分を供給すると共に、液体酸素の蒸発によって余分に生成された液体空気を液体空気貯槽に貯液する一方、酸素ガスの需要減少時には、余剰の液体酸素を液体酸素貯槽に貯液することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１、４に係る空気液化分離装置または請求項７に係る空気液化分離装置の運転方法によれば、空気分離部の複式精留塔に、一定量の原料空気の一部が低温の原料空気として、残りの原料空気が液化されて液体空気となって、液体空気貯槽を介して導入されると共に、複式精留塔から一定量ずつの液体酸素が取出されて液体酸素貯槽に導入される。そして、液体酸素貯槽から取出された液体酸素と、液体空気貯槽に導入される圧縮空気との熱交換により製品酸素ガスを導出するため、酸素ガス需要の変動時に、主熱交換器の温度バランスのために製品窒素の供給量を変動させるまでもなく、酸素ガスの需要変動に容易に対応することができる。
【００１８】
そして、主熱交換器の温度バランスのために製品窒素の供給量を変動させる必要がないので、膨張タービンの発生寒冷量を常に一定に保持し、かつ空気分離部から供給する製品窒素量を常に一定に保持することができるので、空気分離部の運転条件が略一定に保持することができると共に、最も効率のよい状態で安定して精留分離を行うことができる。特に、アルゴン採取を並行して行う場合でも、複式精留塔内の組成変動や流量変動が生じないので、アルゴン採取効率が低下するようなことがなく、従来のこの種の空気液化分離装置に比較してアルゴン採取効率が優れている。さらに、請求項４に係る空気液化分離装置によれば、昇圧空気の液化および液体酸素を蒸発させるために、酸素熱交換器を設けたので、主熱交換器の設計圧力を低圧にすることができ、全体として熱交換器のコストを低減させることができる。
【００１９】
本発明の請求項２、５に係る空気液化分離装置によれば、製品酸素供給ラインの液体酸素貯槽と、主熱交換器との間に、液体酸素ポンプが設けられているから、液体酸素貯槽から流出する液体酸素を液体酸素ポンプでポンプアップすることにより、上部塔の運転圧力よりも高圧の製品酸素ガスを供給することができる。
【００２０】
本発明の請求項３、６に係る空気液化分離装置によれば、第２ラインの昇圧空気圧縮機と主熱交換器の間に第２昇圧空気圧縮機が介装されていて任意の圧力の液体空気を複式精留塔に導入することができるから、任意の圧力の製品酸素ガスを供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の形態１に係る空気液化分離装置を、その模式的系統図の図１を参照しながら説明する。
【００２２】
本発明の形態１に係る空気液化分離装置は、図１に示すように、図示しないフィルタを介して吸引された原料空気を圧縮する原料空気圧縮機１ａ、この原料空気圧縮機１ａで圧縮された圧縮空気中の不純物を除去する不純物除去器１ｂが介装された原料空気供給ライン１を備えている。この原料空気供給ライン１から第１ライン３が分岐しており、この第１ライン３は主熱交換器２を介して後述する空気分離部１０に連通している。つまり、不純物除去器１ｂで不純物が除去された圧縮空気の一部は、第１ライン３を流れ、そして主熱交換器２で冷却されて空気分離部１０に導入されるように構成されている。
【００２３】
また、この原料空気供給ライン１から第２ライン４が分岐しており、この第２ライン４は主熱交換器２を介して空気分離部１０に連通している。より詳しくは、この第２ライン４の分岐部と主熱交換器２の間に、原料空気を圧縮する昇圧空気圧縮機４ａ、この昇圧空気圧縮機４ａで圧縮された原料空気を冷却するクーラ４ｂが介装されている。さらに、この第２ライン４の主熱交換器２と空気分離部１０との間に、主熱交換器２側から空気分離部１０側に向かって順に、膨張弁４ｅ，液体空気貯槽４ｆ、この液体空気貯槽４ｆから空気分離部１０に導入する液体空気の流量を制御する液体空気量制御手段４ｇとが設けられている。つまり、昇圧空気圧縮機４ａで圧縮された圧縮空気の一部が主熱交換器２で冷却されて液体空気となって液体空気貯槽４ｆに貯液されると共に、この液体空気貯槽４ｆから一定量ずつの液体空気が空気分離部１０に導入されるようになっている。
【００２４】
また、第２ライン４から第３ライン５が分岐しており、この第３ライン５は主熱交換器２を介して第１ライン３の主熱交換器２と空気分離部１０との間に連通している。より詳しくは、この第３ライン５の分岐部と主熱交換器２の間に、後述する膨張タービン５ｃと同軸のブレーキ用のブロワ５ａが介装され、このブロワ５ａで圧縮された原料空気を冷却するクーラ５ｂが介装されている。さらに、この第３ライン５の主熱交換器２と空気分離部１０との間に、膨張タービン５ｃが設けられている。つまり、ブロワ５ａで圧縮された圧縮空気が主熱交換器２で冷却され、膨張タービン５ｃで断熱膨張させられることにより、空気液化分離装置の運転に必要な寒冷を発生する。そして、第１ライン３に合流して液体空気となって空気分離部１０に導入されるようになっている。但し、ブロワ５ａは必須ではなく、設けられていなくても良い。
【００２５】
一方、空気分離部１０から図示しない酸素需要先に製品酸素ガスＧＯを供給する製品酸素供給ライン６が主熱交換器２を介して連通している。より詳しくは、空気分離部１０側から主熱交換器２側に向かって順に、空気分離部１０から供給する液体酸素ＬＯの流量を制御する液体酸素量制御手段６ａと、液体酸素ＬＯを貯液する液体酸素貯槽６ｂが設けられている。
【００２６】
前記空気分離部１０は、上部塔１１ａと、この上部塔１１ａの底部に配設されてなる凝縮器１１ｂと、下部塔１１ｃとからなる複式精留塔１１と、過冷却器１２を備えている。
複式精留塔１１の下部塔１１ｃの底部付近に前記第１ライン３が連通し、下部塔１１ｃの第１ライン３の連通個所の上側に第２ライン４が連通している。また、前記製品酸素供給ライン６の基端部は複式精留塔１１の上部塔１１ａの底部に接続されている。また、複式精留塔１１の上部塔１１ａの頂部から過冷却器１２を介して図示しない窒素需要先に製品窒素ガスＧＮを供給する製品窒素供給ライン７が主熱交換器２を介して連通している。
さらに、複式精留塔１１の上部塔１１ａの頂部付近から過冷却器１２を介して、不純物除去器１ｂ内の不純物除去剤の再生等に使用される廃窒素ＷＮを供給する廃窒素供給ライン８が主熱交換器２を介して連通している。
【００２７】
そして、下部塔１１ｃの前記第２ライン４の連通部の上側を貫通する第４ライン１３が過冷却器１２を介して上部塔１１ａに連通しており、下部塔１１ｃの底部の酸素リッチな液体空気を過冷却して上部塔１１ａに導入するようになっている。また、下部塔１１ｃの前記第２ライン４の連通部の上側から過冷却器１２を介して上部１１ａの前記第４ライン１３の連通部の上側に第５ライン１４が連通しており、下部塔１１ｃの中位位置の窒素リッチな液体空気を過冷却して上部塔１１ａに導入するようになっている。さらに、下部塔１１ｃの前記第５ライン１４の連通部の上側から過冷却器１２を介して、第６ライン１５が上部塔１１ａの頂部付近に連通しており、下部塔１１ｃの上位位置の高純度窒素を過冷却して上部塔１１ａに導入するようになっている。但し、前記第５ライン１４は設けられていなくても良い。
【００２８】
なお、第１ライン３、第２ライン４を介して下部塔１１ｃの底部に導入された冷却空気と液体空気は、塔内を上昇する間に次第に窒素リッチになり、下部塔１１ｃの頂部では高純度窒素となる。また、そして上部塔１１ａに導入された酸素リッチな液体空気は、塔内を流下しながら次第に酸素が凝縮され、底部において高純度液体酸素となり、この上部塔１１ａの底部に溜まるものである。
【００２９】
以下、上記構成になる空気液化分離装置の作用態様を、図１を参照しながら説明する。
即ち、原料空気圧縮機で圧縮されると共に、不純物除去器１ｂで不純物が除去された原料空気の一部は第１ライン３に流入し、主熱交換器２により略沸点温度まで冷却されて空気分離部１０の下部塔１１ｃの底部に導入される。原料空気の残りの部分は第２ライン４に流入し、昇圧空気圧縮機４ａで下部塔１１ｃの運転圧力よりも高い圧力に昇圧される。
そして、昇圧空気の一部はクーラ４ｂで冷却された後に、主熱交換器２で冷却されて液化され、膨張弁４ｅを経て液体空気貯槽４ｆに送られる。そして、この液体空気貯槽４ｆ内の液体空気が液体空気量制御手段４ｇにより制御されて一定量ずつ抜出されて、下部塔１１ｃの下部に導入される。
【００３０】
一方、昇圧空気の残りの部分は第３ライン５に流入し、ブロワ５ａで昇圧されると共に、クーラ５ｂ，主熱交換器２で冷却される。次いで、膨張タービン５ｃで断熱膨張されて空気液化分離装置の運転に必要な寒冷を発生して第１ライン３に流入し、前記主熱交換器２で略沸点温度まで冷却されて第１ライン３を流れる原料空気に合流して下部塔１１ｃの底部に導入される。空気分離部１０の複式精留塔１１では、これらの原料空気と液体空気とを精留して、上部塔１１ａの底部から製品酸素供給ライン６を介して液体酸素ＬＯを、上部塔１１ａの頂部から製品窒素供給ライン７を介して窒素ガスＧＮを分離導出する。
【００３１】
上部塔１１ａの底部から導出される液体酸素ＬＯは、液体酸素量制御手段６ａによって一定量になるように制御され、液体酸素貯槽６ｂに導入される。そして、この液体酸素貯槽６ｂから需要に見合うだけの液体酸素が抜出され、主熱交換器２で気化・加温された後に需要先に供給される。また、この主熱交換器２で冷却されて液化した昇圧空気は液体空気貯槽４ｆに導入され、この液体空気貯槽４ｆから液体空気量制御手段４ｇによって一定量になるように制御されて複式精留塔１１の下部塔１１ｃの底部に導入される。
【００３２】
即ち、本発明の形態１に係る空気液化分離装置によれば、空気分離部１０の複式精留塔１１には、略一定量の原料空気ＧＡと、液体空気ＬＡとを導入し、複式精留塔１１を最も効率の良い状態にして精留を行い、酸素ガス、窒素ガス等を導出する。そして、酸素ガスＧＯの需要量が増大した場合には、膨張弁４ｅの開度を大きくし、第２ライン４を流れる圧縮空気の流量を多くすることによって、主熱交換器２における熱交換作用により製品酸素供給ライン６を流れる酸素の流量を増大させる。逆に、酸素ガスＧＯの需要量が減少した場合には、膨張弁４ｅの開度を小さくし、第２ライン４を流れる圧縮空気の流量を少なくすることによって、主熱交換器２における熱交換作用により製品酸素供給ライン６を流れる酸素の流量を減少させる。
【００３３】
次に、液体酸素ＬＯと液体空気ＬＡとの熱量が同一であると仮定して、需要先の酸素ガスＧＯが２００Ｎｍ3／ｈと１００Ｎｍ3／ｈの間で変動する場合を例として説明する。
即ち、主熱交換器２および膨張タービン５ｃを出て合流した６００Ｎｍ3／ｈの原料空気ＧＡと、液体空気貯槽４ｆから取出された１５０Ｎｍ3／ｈの液体空気ＬＡを複式精留塔１１の下部塔１１ｃに導入し、その上部塔１１ａの底部から１５０Ｎｍ3／ｈの液体酸素ＬＯを液体酸素貯槽６ｂに導出する。
【００３４】
このような状況において、酸素ガスＧＯの需要量が２００Ｎｍ3／ｈになった場合には、製品酸素供給ライン６を流れる酸素流量が２００Ｎｍ3／ｈになるように膨張弁４ｅの開度を制御する。このとき、第２ライン４を流れて液体空気貯槽４ｆに導入される液体空気流量は２００Ｎｍ3／ｈとなる。一方、酸素ガスＧＯの需要量が１００Ｎｍ3／ｈになった場合には、製品酸素供給ライン６を流れる酸素流量が１００Ｎｍ3／ｈになるように膨張弁４ｅの開度を制御し、余剰となる５０Ｎｍ3／ｈの液体酸素を液体酸素貯槽６ｂに貯液する。このとき、第２ライン４を流れて液体空気貯槽４ｆに導入される液体空気流量は１００Ｎｍ3／ｈとなる。
【００３５】
酸素ガスＧＯの需要量変動がある周期に１／２毎に、例えば１日のうち１２時間は２００Ｎｍ3／ｈ、残りの１２時間は１００Ｎｍ3／ｈで変動するとした場合には、液体酸素貯槽６ｂに複式精留塔１１から２４時間１５０Ｎｍ3／ｈの液体酸素ＬＯが導入される。
また、この液体酸素貯槽６ｂから需要先に２００Ｎｍ3／ｈの液体酸素ＬＯが１２時間供給されると共に、１００Ｎｍ3／ｈの液体酸素ＬＯが１２時間供給される。従って、１日当たりの液体酸素量は共に３６００Ｎｍ3になるから、液体酸素ＬＯの需給量はバランスする。
【００３６】
一方、上記のとおり、複式精留塔１１には６００Ｎｍ3／ｈの原料空気ＧＡと、１５０Ｎｍ3／ｈの液体空気ＬＡが常に導入され、そして複式精留塔１１から１５０Ｎｍ3／ｈの液体酸素ＬＯが常に導出される。つまり、この複式精留塔１１では、常時一定の条件で精留運転が行われており、塔内組成は勿論のこと、温度等も一定に保持することができ、最も効率の良い条件で空気液化分離装置を運転することができる。また、空気液化分離装置の空気分離部１０の運転に必要な寒冷は膨張タービン５ｃで得ているが、酸素需要変動の如何にかかわらず、この空気分離部１０が常時定常運転されているため、常に一定に寒冷を発生させるよう、膨張タービン５ｃを定常運転すればよい。さらに、酸素供給量の変動に対しては、第２ライン４に介装されてなる膨張弁４ｅの開度調整による昇圧空気量の調節によって対処する構成である。従って、酸素需要の変動に際して、主熱交換器の温度バランス維持のために、製品窒素の供給量を変動させる必要がなく、常に一定量の製品窒素を供給することができる。
【００３７】
本発明の形態２に係る空気液化分離装置を、その模式的系統図の図２を参照しながら説明する。なお、本実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、空気分離部にアルゴン用複式精留塔が付加された点にあり、これ以外は全く同構成であるから、同一のものには同一符号を付して、その相違する点について説明する。
【００３８】
この形態２に係る空気液化分離装置の空気分離部１０には、複式精留塔１１と、過冷却器１２以外に、粗アルゴン凝縮器容器１６と、この粗アルゴン凝縮器容器１６の内部に配設されてなる凝縮器１６ａと、粗アルゴン塔１６ｂとが設けられている。この粗アルゴン凝縮器容器１６には、前記第４ライン１３の過冷却器１２の出口側で分岐した第７ライン１７が連通すると共に、この粗アルゴン凝縮器容器１６の頂部から複式精留塔１１の上部塔１１ａに第８ライン１８が連通している。また、複式精留塔１１の上部塔１１ａから粗アルゴン塔１６ｂの下部に第９ライン１９が連通し、粗アルゴン塔１６ｂの底部から複式精留塔１１の上部塔１１ａに第１０ライン２０が連通すると共に、粗アルゴン塔１６ｂの上部から主熱交換器２に粗アルゴン供給ライン２１が連通している。
【００３９】
このような粗アルゴン凝縮器容器１６と、凝縮器１６ａと、粗アルゴン塔１６ｂと、ライン系は周知のもので、これによりアルゴンを採取することができる。この形態２に係る空気液化分離装置では、上記のとおり、常時一定の条件で精留運転が行われており、最も効率のよい状態で安定して精留分離を行うことができる。つまり、複式精留塔内の組成変動や流量変動が生じないので、アルゴン採取効率が低下するようなことがなく、従来のこの種の空気液化分離装置に比較してアルゴン採取効率が優れている。
【００４０】
本発明の形態３に係る空気液化分離装置を、その模式的系統図の図３を参照しながら説明する。なお、本実施の形態３が上記実施の形態１と相違するところは、製品酸素供給ラインの構成の相違にあり、これ以外は全く同構成であるから、同一のものには同一符号を付して、その相違する点について説明する。
【００４１】
即ち、本発明の形態３に係る空気液化分離装置では、製品酸素供給ライン６の液体酸素貯槽６ｂと主熱交換器２の間に、液体酸素貯槽６ｂから導出される液体酸素ＬＯをポンプアップする液体酸素ポンプ６ｃが介装されている。従って、本発明の形態３に係る空気液化分離装置によれば、液体酸素貯槽６ｂから導出する液体酸素を液体酸素ポンプ６ｃでポンプアップすることにより、複式精留塔１１の上部塔１１ａの運転圧力よりも高圧の製品酸素ガスＧＯを供給することができるから、需要先の要求圧力に対して容易に対応することができる。
【００４２】
本発明の形態４に係る空気液化分離装置を、その模式的系統図の図４を参照しながら説明する。なお、本実施の形態４が上記実施の形態１と相違するところは、第２ラインと、製品酸素供給ラインとの構成の相違にあり、これ以外は全く同構成であるから、同一のものには同一符号を付して、その相違する点について説明する。
【００４３】
即ち、本発明の形態４に係る空気液化分離装置では、第２ライン４のクーラ４ｂと主熱交換器２との間に第２昇圧空気圧縮機４ｃと、第２クーラ４ｄが介装されている。さらに、上記形態３に係る空気液化分離装置と同様に、製品酸素供給ライン６の液体酸素貯槽６ｂと主熱交換器２の間に、液体酸素貯槽６ｂから導出される液体酸素ＬＯをポンプアップする液体酸素ポンプ６ｃが介装されている。
【００４４】
従って、本発明の形態４に係る空気液化分離装置によれば、製品酸素供給ライン６の液体酸素貯槽６ｂと主熱交換器２の間に、液体酸素貯槽６ｂから導出される液体酸素ＬＯをポンプアップする液体酸素ポンプ６ｃが介装されているため、上記形態３に係る空気液化分離装置の効果に加えて、第２昇圧空気圧縮機６ｃの運転により任意の圧力の液体空気を複式精留塔１１の下部塔１１ｃに導入することができるから、任意の圧力の製品酸素ガスＧＯを供給することができる。
【００４５】
本発明の形態５に係る空気液化分離装置を、その模式的系統図の図５を参照しながら説明する。なお、本実施の形態５が上記実施の形態１と相違するところは、主として主熱交換器の他に酸素熱交換器を設けた点と、第２ライン、製品酸素供給ライン６、廃窒素供給ラインのルート等が相違する点にあるから、同一のものには同一符号を付して、その相違する点について説明する。
【００４６】
即ち、第２ライン４は酸素熱交換器２′を介して空気分離部１０に連通しており、この第２ラインの４の酸素熱交換器２′の上流側に、酸素熱交換器２′側に向かって順に、昇圧空気圧縮機４ａ，クーラ４ｂ，第２昇圧空気圧縮機４ｃ，第２クーラ４ｄが介装されると共に、酸素熱交換器２′と空気分離部１０との間に、膨張弁４ｅ，液体空気貯槽４ｆ，液体空気量制御手段４ｇが介装されている。また、製品酸素供給ライン６は酸素熱交換器２′を介して製品酸素ガスＧＯを需要先に供給するように構成されており、この製品酸素供給ライン６には液体酸素量制御手段６ａ，液体酸素貯槽６ｂ，液体酸素ポンプ６ｃが介装されている。そして、廃窒素供給ライン８は二股状に分岐しており、一方のラインは酸素熱交換器２′を介して、他方のラインは主熱交換器２を介するように構成されている。
【００４７】
従って、本発明の形態５に係る液化空気分離装置によれば、第２ライン４に第２昇圧空気圧縮機４ｃ，第２クーラ４ｄが介装されており、また製品酸素供給ライン６に液体酸素ポンプ６ｃが介装されているから、上記形態４に係る液化空気分離装置と同様の効果を得ることができる。さらに、昇圧空気の液化および液体酸素を蒸発させるために、酸素熱交換器２′を設けたので、主熱交換器２の設計圧力を低圧にすることができ、全体として熱交換器のコストを低減させることができるというコスト低減効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の形態１に係る空気液化分離装置の模式的系統図である。
【図２】本発明の形態２に係る空気液化分離装置の模式的系統図である。
【図３】本発明の形態３に係る空気液化分離装置の模式的系統図である。
【図４】本発明の形態４に係る空気液化分離装置の模式的系統図である。
【図５】本発明の形態５に係る空気液化分離装置の模式的系統図である。
【図６】従来例に係る空気液化分離装置の要部を示す系統図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…原料空気供給ライン，１ａ…原料空気圧縮機，１ｂ…不純物除去器
２…主熱交換器，２′…酸素熱交換器
３…第１ライン，３１…窒素循環冷却系統，３１ａ…第１循環熱交換器，３１ｂ…第２循環熱交換器
４…第２ライン，４ａ…昇圧空気圧縮機，４ｂ…クーラ，４ｃ…第２昇圧空気圧縮機，４ｄ…第２クーラ，４ｅ…膨張弁，４ｆ…液体空気貯槽，４ｇ…液体空気量制御手段
５…第３ライン，５ａ…ブロワ，５ｂ…クーラ，５ｃ…膨張タービン
６…製品酸素供給ライン，６ａ…液体酸素量制御手段，６ｂ…液体酸素貯槽，６ｃ…液体酸素ポンプ
７…製品窒素供給ライン
８…廃窒素供給ライン
１０…空気分離部
１１…複式精留塔，１１ａ…上部塔，１１ｂ…凝縮器，１１ｃ…下部塔
１２…過冷却器
１３…第４ライン
１４…第５ライン
１５…第６ライン
１６…粗アルゴン凝縮器容器，１６ａ…凝縮器，１６ｂ…粗アルゴン塔
１７…第７ライン
１８…第８ライン
１９…第９ライン
２０…第１０ライン
２１…粗アルゴン供給ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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